Linux基础命令介绍十三:启动流程

过儿古墓 2016-12-27

固件(firmware)是指设备最底层的,让设备得以运行的程序代码。简单理解就是:固定在硬件上的软件。计算机中的许多设备都拥有固件(如硬盘、鼠标、光驱、U盘等),在计算机启动过程中,最先读取的就是位于主板上的固件,这个固件当前有两种类型:传统的BIOS和新的通用性更强的UEFI。

Linux基础命令介绍十三:启动流程

在上一篇中,我们提到另一种磁盘分区格式GTP也是UEFI标准的一部分。于是,当前计算机启动中,出现了两种不同的方式:BIOS/MBR和UEFI/GTP。

在linux操作系统的世界中,同样在经历着变革,系统初始化软件sysvinit正逐渐被systemd取代。

本文将主要讲述传统的BIOS/MBR-->sysvinit启动方式,同时,作为补充,也将简述UEFI/GTP-->systemd的启动方式。

BIOS/MBR-->sysvinit

1、BIOS阶段

系统加电后会立即读取BIOS中内容并执行,BIOS中程序的执行包括两个步骤:

1)加电自检POST(power-on self test),主要负责检测系统外围设备(如CPU、内存、显卡、键盘鼠标等)是否正常。如果硬件出现问题,主板会发出不同含义的蜂鸣声,启动终止。如果没有问题,屏幕就会显示出CPU、内存、硬盘等信息。

2)自检完成后,BIOS会执行一段程序来枚举本地设备(如光盘、U盘、硬盘、网络等,可以在BIOS中设置枚举顺序)寻找下一阶段的启动程序所在位置。BIOS会将控制权交给启动顺序(Boot Sequence)中排在第一位的设备,此时,计算机读取该设备中的最前面的512个字节,如果这512个字节的最后两个字节是0x55和0xAA(Magic Number),表明这个设备可以用于启动;如果不是,表明该设备不能用于启动,控制权于是转交给启动顺序中的下一个设备。如上一篇所述,硬盘中的最前面的512字节即为主引导记录 MBR。

2、MBR阶段

前一篇中我们描述过MBR的结构,其中包括446字节的Bootloader,64字节的DPT和2字节的Magic Number。

Bootloader(引导加载程序)中较常用的一种是grub,grub引导分为两个阶段(有些grub还定义了1.5阶段):

1)BIOS将stage1载入内存中的指定位置(0x7C00)并跳转执行,stage1的内容即为MBR中起始的446字节;此阶段执行作用主要是将硬盘0磁头0磁道2扇区的内容载入到内存0x8000处并跳转执行。

1.5)由于stage2的代码(较大)存放在文件系统下的/boot分区中(或者/boot没有单独分区的/etc/),因此识别stage2文件需要文件系统环境(此时还只能直接读取硬盘指定位置的内容,并不能识别文件系统)。stage1.5的作用就是为stage2提供文件系统环境,使系统能够找到位于文件系统中的stage2文件。

2)stage2被载入内存并执行,它首先会解析grub的配置文件menu.lst即/boot/grub/grub.conf,该文件中指定了系统内核文件所处的位置,如果没有找到该文件,就会执行一个shell,等待用户手动指定内核文件的位置。此阶段的最终状态就是执行boot命令,将内核和initrd镜像载入内存,进而将控制权交给内核。

grub.conf内容(版本:GNU GRUB 0.97):

# grub.conf generated by anaconda 


# 


# Note that you do not have to rerun grub after making changes to this file 


# NOTICE:  You have a /boot partition.  This means that 


#          all kernel and initrd paths are relative to /boot/, eg. 


#          root (hd0,0) 


#          kernel /vmlinuz-version ro root=/dev/sda3 


#          initrd /initrd-version.img 


#boot=/dev/sda 


default=0 


timeout=5 


splashimage=(hd0,0)/grub/splash.xpm.gz 


hiddenmenu 


title CentOS (2.6.18-407.el5) 


        root (hd0,0) 


        kernel /vmlinuz-2.6.18-407.el5 ro root=LABEL=/ rhgb quiet 


        initrd /initrd-2.6.18-407.el5.img 


title CentOS (2.6.18-398.el5) 


        root (hd0,0) 


        kernel /vmlinuz-2.6.18-398.el5 ro root=LABEL=/ rhgb quiet 



        initrd /initrd-2.6.18-398.el5.img  

文件中#开头的行是注释行,最重要的部分是两个title下面指定的内核位置及具体文件(kernel和initrd项)

3、内核阶段

grub的stage2将initrd文件加载到内存中,内核于是开始执行initrd中的init文件,此文件是一个脚本,主要作用是加载各种存储介质相关的设备驱动程序。当所需的驱动程序加载完成后,会创建一个根设备,然后将根文件系统(rootfs)以只读的方式挂载。这一步结束后,释放未使用的内存,转换到真正的根文件系统中运行程序/sbin/init,启动系统PID为1的进程。此后系统的控制权就交给/sbin/init进程了。

4、init阶段

当init进程接管了系统的控制权之后,它首先会读取/etc/inittab文件,此文件描述了在特定的运行级别(runlevel)下,init进程该如何初始化系统。

linux中定义了7种运行级别: 


0 表示关机 


1 表示单用户模式 


2 表示无网络的多用户模式 


3 表示多用户模式 


4 未使用 


5 表示图形界面模式 



6 表示重启  

inittab文件中指定了系统的默认运行级别,如id:3:initdefault:表示默认运行级别为3(多用户模式)。

init进程根据inittab文件,运行一系列指定的初始化脚本:

1)/etc/rc.d/rc.sysinit系统初始化脚本,它的作用包括设置主机名和默认网关、决定是否启用SELinux、加载用户自定义模块、根据文件/etc/sysctl.conf设置内核参数、设置raid及LVM等硬盘功能、重新以读写方式挂载根文件系统等等

2)执行/etc/rc.d/rc文件,该文件确认由inittab指定的运行级别N,并启动相应级别下的服务(通过执行/etc/rc.d/rcN.d中的文件),例如运行级别为3时,则先执行/etc/rc.d/rc3.d下以K开头的文件,然后执行以S开头的文件。这些文件都是指向/etc/init.d下的符号链接。以K开头的文件表示此运行级别下需要关闭的服务,以S开头的文件表示此运行级别下需要开启的服务。

3)在运行级别2、3、4、5中最后一个执行的文件均指向文件/etc/rc.local,用户可以在此文件中自定义启动内容。

4)之后根据inittab中设置,运行6个终端,以便用户登录系统,如果是运行级别5,则还会执行/etc/X11/prefdm -nodaemon启动相应的桌面环境。

5)然后执行/bin/login程序用于接收和验证来自mingetty的用户名和密码。

至此整个系统即启动完毕了

UEFI/GTP-->systemd

UEFI的出现是为了代替BIOS,同样,GTP和systemd也是为了弥补MBR和sysvinit的不足。和BIOS只负责POST和找到MBR不同,UEFI将贯穿系统加电到关机的整个过程。粗略划分,UEFI系统启动分为4个阶段:

1、UEFI初始化阶段

1)SEC(安全验证):接收并处理系统启动和重启信号,初始化临时存储区域,传递系统参数给下一阶段(即PEI)。

2)PEI(EFI前期初始化):为DXE准备执行环境,将需要传递到DXE的信息组成HOB(Handoff Block)列表,最终将控制权转交到DXE手中。

3)DXE(驱动执行环境):根据HOB列表初始化系统服务,然后遍历固件中的所有Driver,当驱动的依赖资源满足时,调度Dirver到执行队列执行,直到所有满足条件的Dirver都被加载。

2、操作系统加载器作为UEFI应用程序运行阶段

1)BDS(启动设备选择):初始化控制台设备,加载必要的设备驱动,根据系统设置加载和执行启动项,用户选中某个启动项(或系统进入默认的启动项)后,OS Loader启动,系统进入TSL阶段。

UEFI中程序能够识别存储介质上的分区信息和文件系统(如:fat32),此时会将/EFI/boot/grub2.efi(位于GTP格式硬盘的一个分区ESP,安装时自动生成)作为UEFI应用程序运行。

2)TSL(临时系统加载):操作系统加载器(OS Loader也位于ESP分区)执行的第一阶段,在这一阶段OS Loader作为一个UEFI应用程序运行,系统资源仍然由UEFI内核控制。当启动服务的ExitBootServices()服务被调用后,系统进入RT(Run Time)阶段。

3、操作系统运行阶段

RT(运行时):系统的控制权从UEFI内核转交到OS Loader手中,UEFI占用的各种资源被回收到OS Loader,仅有UEFI运行时服务保留给OS Loader和OS使用。随着OS Loader的执行,OS最终取得对系统的控制权。

在init作为系统初始化程序时,服务是通过/etc/rc.d/init.d中的脚本来管理并且是顺序执行的,当使用systemd作为系统初始化程序后,这些脚本被服务单元替换,并尽可能的并行启动进程。

在systemd中,一个单元配置文件可以描述如下内容之一:

系统服务(.service) 


挂载点(.mount) 


套接字(.sockets) 


系统设备(.device) 


交换分区(.swap) 


文件路径(.path) 


启动目标(.target) 


由systemd管理的计时器(.timer) 



....  

systemd为保持向下兼容性还保留了一些init命令和概念,但所对应的文件都是指向systemd对应命令或文件的符号链接:

[root@centos7 temp]# ls -l /sbin/init  


lrwxrwxrwx. 1 root root 22 1月  15 2016 /sbin/init -> ../lib/systemd/systemd 


[root@centos7 temp]# ls -l /usr/lib/systemd/system/runlevel*.target 


lrwxrwxrwx. 1 root root 15 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel0.target -> poweroff.target 


lrwxrwxrwx. 1 root root 13 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel1.target -> rescue.target 


lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel2.target -> multi-user.target 


lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel3.target -> multi-user.target 


lrwxrwxrwx. 1 root root 17 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel4.target -> multi-user.target 


lrwxrwxrwx. 1 root root 16 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel5.target -> graphical.target 



lrwxrwxrwx. 1 root root 13 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/runlevel6.target -> reboot.target  

systemd启动后执行的第一个目标是default.target,但实际上default.target是指向graphical.target的符号链接。

[root@centos7 temp]# ls -l /usr/lib/systemd/system/default.target 


lrwxrwxrwx. 1 root root 16 1月  15 2016 /usr/lib/systemd/system/default.target -> graphical.target 


[root@centos7 temp]# cat /usr/lib/systemd/system/graphical.target 


#  This file is part of systemd. 


# 


#  systemd is free software; you can redistribute it and/or modify it 


#  under the terms of the GNU Lesser General Public License as published by 


#  the Free Software Foundation; either version 2.1 of the License, or 


#  (at your option) any later version. 


 


[Unit] 


Description=Graphical Interface 


Documentation=man:systemd.special(7) 


Requires=multi-user.target 


Wants=display-manager.service 


Conflicts=rescue.service rescue.target 


After=multi-user.target rescue.service rescue.target display-manager.service 



AllowIsolate=yes  

其中Requires行指明了本单元的依赖关系(其他各项意义可以通过命令man systemd.unit查看),顺着此文件,可以找到需要执行的单元:multi-user.target、basic.target、sysinit.target、local-fs.target swap.target、local-fs-pre.target。

4、关机阶段

AL(After-life):当系统硬件或操作系统出现严重错误不能继续正常运行时,固件会尝试修复错误,这时系统进入AL期。UEFI标准并没有定义此阶段的行为和规范。系统供应商可以自行定义。

相关命令

init

1、init

init除了在系统初始化时起的重要作用外,还可以用来执行关机、重启、切换运行级别的作用:

#关机 


init 0 


#重启 


init 6 


#切换到单用户模式 



init 1  

2、runlevel 显示运行级别

[root@centos7 temp]# runlevel  


N 3 



[root@centos7 temp]#   

输出中N表示当前运行级别,如果系统启动后切换过运行级别,则输出类似于3 5表示之前运行级别为3,现在的运行级别为5。

3、halt reboot poweroff shutdown

#立即关机 


shutdown -h now 


#在11:50分执行关机 


shutdown -h 11:50 


#如果要取消指定时间的关机,则在另一个终端中执行: 


shutdown -c 


#过30分钟之后重启系统,并且重启时不进行磁盘检测 



shutdown -fr +30  

4、chkconfig 更新或查询服务的运行级别信息

#列出服务(还会列出xinetd管理的服务) 


chkconfig --list 


#增加一个服务 


chkconfig --add httpd 


#使服务在运行级别2、3、5时自启动 



chkconfig --level 235 httpd on  

5、service 运行服务脚本(服务脚本位于/etc/init.d内,service本身也是脚本,位于/sbin内)

#列出所有服务状态 


service --status-all 


#列出单个服务状态 


service nginx status 


#启动服务 


service nginx start 


#停止服务 


service nginx stop 


#重启服务 


service nginx restart 


#重新加载配置文件 



service nginx reload  

systemd

systemd并不是一个命令,而是一组命令,涉及到系统管理的方方面面。

1、systemctl 控制systemd系统和管理服务

systemctl [OPTIONS...] COMMAND [NAME...] 

如切换运行级别或开关机:

#重启(将执行reboot.target) 


systemctl reboot 


#暂停(将执行suspend.target) 


systemctl suspend 


#休眠(将执行hibernate.target) 


systemctl hibernate 


#切换至救援模式(单用户,将执行rescue.target) 


systemctl rescue 


#列出运行级别 


systemctl get-default 


#切换到运行级别5,即图形模式 



systemctl isolate graphical.target  

系统服务单元相关:

#列出正在运行的 Unit 


systemctl list-units 


#列出所有的 Unit 


systemctl list-units --all 


#列出所有加载失败的 Unit 


systemctl list-units --failed 


#列出Unit时指定类型 


systemctl list-units --type=socket 

系统和服务管理:

#系统状态 


systemctl status 


#服务状态(.service可以省略) 


systemctl status nginx.service 


#启动服务 


systemctl start nginx 


#停止服务 


systemctl stop nginx 


#重启服务 


systemctl restart nginx 


#重新加载配置文件 


systemctl reload nginx 


#设置服务开机启动 


systemctl enable nginx 


#列出所有安装的服务 


systemctl list-unit-files 


#指定类型 



systemctl list-unit-files --type=target  

还有许多其他选项,这里就不一一列举了。

2、systemd-analyze 查看启动用时

[root@centos7 ~]# systemd-analyze  



Startup finished in 730ms (kernel) + 1.904s (initrd) + 9.909s (userspace) = 12.544s  

输出显示了系统启动过程中各部分耗时

#各服务初始化用时 


[root@centos7 ~]# systemd-analyze blame 


          5.424s NetworkManager-wait-online.service 


          1.830s dev-mapper-centos\x2droot.device 


          1.055s firewalld.service 


           980ms kdump.service 


           549ms network.service 


           .... 


#输出各服务用时细节并写入文件(该文件可以用浏览器或图片查看器打开) 


[root@centos7 ~]# systemd-analyze plot > file.svg 


#序列化输出各服务详细完整的状态信息(输出内容很多,略) 



[root@centos7 ~]# systemd-analyze dump  

3、systemd-cgls 递归显示控制组(Cgroups)信息

linux内核从版本2.6.24开始,引入了一个叫做控制组(control groups)的特性,是用于限制、记录、隔离进程组(process groups)所使用的物理资源(如:cpu,memory,IO等等)的机制。关于Cgroups的内容本文不再展开。

[root@centos7 ~]# systemd-cgls  


├─1 /usr/lib/systemd/systemd --switched-root --system --deserialize 21 


├─user.slice 


│ └─user-0.slice 


│   ├─session-182.scope 


│   │ ├─5165 sshd: root@pts/1     


│   │ ├─5167 -bash 


│   │ ├─5409 systemd-cgls 


.... 



....  

4、systemd-cgtop 显示各控制组的使用量(CPU,内存,IO)

显示效果类似命令top

[root@centos7 ~]# systemd-cgtop 


Path                                                Tasks   %CPU   Memory  Input/s Output/s 


 


/                                                   161    0.2   400.5M        -        - 


/system.slice/NetworkManager.service                  1      -        -        -        - 


/system.slice/auditd.service                          1      -        -        -        - 


/system.slice/crond.service                           1      -        -        -        - 


/system.slice/dbus.service                            1      -        -        -        - 


/system.slice/firewalld.service                       1      -        -        -        - 



....  

5、systemd-loginctl 控制systemd登录管理

此命令是命令loginctl的符号链接

#列出当前会话 


[root@centos7 ~]# systemd-loginctl list-sessions 


   SESSION        UID USER             SEAT             


       182          0 root                              


       154          0 root                              


 


2 sessions listed. 


#列出当前登录用户 


[root@centos7 ~]# loginctl list-users 


       UID USER             


         0 root             


 


1 users listed. 


#列出显示指定用户的信息 


[root@centos7 ~]# loginctl show-user root 


UID=0 


GID=0 


Name=root 


Timestamp=三 2016-12-21 08:38:54 CST 


TimestampMonotonic=77015538361 


RuntimePath=/run/user/0 


Slice=user-0.slice 


Display=154 


State=active 


Sessions=182 154 


IdleHint=no 


IdleSinceHint=0 


IdleSinceHintMonotonic=0 


Linger=no 



[root@centos7 ~]#  

6、timedatectl 系统时间和日期控制

[root@centos7 ~]# timedatectl  


      Local time: 三 2016-12-21 13:47:31 CST 


  Universal time: 三 2016-12-21 05:47:31 UTC 


        RTC time: 三 2016-12-21 05:47:31 


       Time zone: Asia/Shanghai (CST, +0800) 


     NTP enabled: n/a 


NTP synchronized: no 


 RTC in local TZ: no 


      DST active: n/a 


#设置时间 


[root@centos7 ~]# timedatectl set-time "2012-10-30 18:17:16" 


#列出时区 


[root@centos7 ~]# timedatectl list-timezones 


Africa/Abidjan 


Africa/Accra 


Africa/Addis_Ababa 


Africa/Algiers 


Africa/Asmara 


.... 


#设置时区 



[root@centos7 ~]# timedatectl set-timezone America/New_York  

7、hostnamectl 系统主机名控制

#状态 


[root@centos7 ~]# hostnamectl status 


   Static hostname: centos7 


         Icon name: computer-vm 


           Chassis: vm 


        Machine ID: 956ab824a02d489d85b079cb442d5442 


           Boot ID: 9016d7627d8148ecb7fb77afaa89aeab 


    Virtualization: vmware 


  Operating System: CentOS Linux 7 (Core) 


       CPE OS Name: cpe:/o:centos:centos:7 


            Kernel: Linux 3.10.0-327.el7.x86_64 


      Architecture: x86-64 


#设置主机名(内核参数/proc/sys/kernel/hostname和文件/etc/hostname中都立即更新) 


[root@centos7 ~]# hostnamectl set-hostname MYHOST 


#重新登录后主机名即变为myhost(静态主机名) 


[root@centos7 ~]# hostnamectl 


   Static hostname: myhost 


   Pretty hostname: MYHOST 


         Icon name: computer-vm 


           Chassis: vm 


        Machine ID: 956ab824a02d489d85b079cb442d5442 


           Boot ID: 9016d7627d8148ecb7fb77afaa89aeab 


    Virtualization: vmware 


  Operating System: CentOS Linux 7 (Core) 


       CPE OS Name: cpe:/o:centos:centos:7 


            Kernel: Linux 3.10.0-327.el7.x86_64 



      Architecture: x86-64  

以上systemd相关所有命令(除systemd-cgls和systemd-cgtop外),都可以使用选项-H指定远程基于systemd的主机(使用ssh协议):

[root@centos7 ~]# hostnamectl -H 10.0.1.252 


   Static hostname: idc-v-71252 


         Icon name: computer-vm 


           Chassis: vm 


        Machine ID: 956ab824a02d489d85b079cb442d5442 


           Boot ID: 9016d7627d8148ecb7fb77afaa89aeab 


    Virtualization: vmware 


  Operating System: CentOS Linux 7 (Core) 


       CPE OS Name: cpe:/o:centos:centos:7 


            Kernel: Linux 4.4.4-1.el7.elrepo.x86_64 



      Architecture: x86-64  

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